Novel 3D porous TMU-12 metal–organic framework based on cobalt clusters, a promising material for fabricating flexible supercapacitor electrodes
本研究引入了钴基金属有机框架材料 TMU-12，作为一种用于柔性超级电容器电极的高度稳定且具竞争力的活性材料，在无需化学改性的情况下，展现出 206.93 F·g⁻¹ 的比电容以及在 2000 次循环后 90.85% 的卓越循环保持率。
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世界正日益转向风能和太阳能等可再生能源，但这些能源有一个根本性的局限：太阳并不总是照耀，风也不总是吹拂。为了使这些清洁能源变得可靠，科学家们需要更好的方法来储存电力，以备在最需要的时候使用。在旨在持有这种能量的各种装置中，超级电容器占据了一个独特的地位。与通过化学变化储存能量且充电时间较长的传统电池不同，超级电容器通过在表面物理地持有带电粒子来储存能量。这使得它们能够几乎瞬间完成充电和释放功率，使其成为需要快速能量爆发的应用场景（如为电动汽车供电或稳定电网）的理想选择。然而，要使这些设备在未来真正发挥作用，它们需要具备柔韧性、耐用性，并且能够在反复使用后仍能保持存储大量能量的能力。
研究人员一直在探索一种被称为金属有机框架（metal-organic frameworks）的材料类别，以解决这些问题。想象一下，一个由金属簇通过有机链连接而成的结构，形成了一个拥有无数微小孔洞贯穿其中的刚性三维支架。这些材料提供了巨大的内部表面积，为带电粒子的聚集提供了充足的空间。在最近的一项研究中，来自伊朗亚兹德大学的一个科学家团队研究了一种特定的金属有机框架，称为 TMU-12。这种材料由钴簇和有机分子构建而成，创造了一个多孔的三维网络。虽然这种特定的框架此前已被报道用于其他用途，但研究人员决定首次将其作为柔性超级电容器电极的活性成分进行测试。他们的目标是观察这种现有的材料是否可以简单地应用于柔性背衬上，从而创造出一种既强大又持久的设备。
为了制造这种设备，团队首先通过将硝酸钴、一种特定的有机酸和一种含氮化合物在溶剂中混合，然后在密封容器中加热来合成 TMU-12 材料。其结果是一种均匀的棒状晶体细粉。随后，他们通过将这种粉末与一种粘合剂混合，并将其涂覆在一块碳毡（一种常用于过滤的柔软织物状材料）上，从而制造出一种柔性电极。这个简单的过程使他们能够测试该材料在液体电解质溶液中储存和释放电荷的能力。当他们测量设备的性能时，结果令人鼓舞。在低速测试下，该电极表现出 206.93 F·g⁻¹ 的比电容，这是衡量单位重量所能持有多少电荷的指标。这一数值与此前为类似用途测试的其他钴基材料相比具有竞争力，在某些情况下甚至更优。
或许比初始功率更重要的，是该材料承受重复使用的能力。在储能领域，一个容量快速下降的设备是毫无价值的。研究人员通过让其经历数千次充放电循环，测试了 TMU-12 电极的耐用性。在 2,000 次循环后，该电极保留了其原始容量的 90.85%。与其他在类似条件下往往降解得更快的钴基框架相比，这种稳定性水平显著提高。团队还发现，即使在充电速度增加时，该材料也能保持良好的性能，这表明离子可以在材料的多孔结构中自由移动。当他们使用两个这样的电极组装成一个完整的对称超级电容器装置时，该系统提供了 7.93 Wh·kg⁻¹ 的能量密度和 3.2 kW·kg⁻¹ 的功率密度，证实了该材料可以在实际的器件配置中有效运行。
研究表明，TMU-12 框架独特的三维结构是其成功的关键。多孔架构允许电解质中的离子深入渗透到材料内部，接触到大量可用于储存电荷的位点。由于该材料基于一种预先存在的、特征明确的框架，研究人员能够在无需复杂化学改性的情况下展示其潜力。这种方法凸显了开发柔性储能的一种务实路径：科学家们不必总是从头发明全新的材料，而是可以重新审视并重新利用已知的框架，以满足现代电子设备的特定需求。研究结果表明，TMU-12 是下一代柔性超级电容器的有前途的候选材料，它提供了高性能与卓越耐用性的结合，有助于弥合可持续未来中能源生成与消费之间的差距。
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